Каждый оператор электродуговой печи, сталкивавшийся с обрушением кровельного кольца, знает, чего это стоит. Когда кровельное кольцо обрушивается, теряется всё тепло. И не только тепло — нарушается производственный график, работа последующей литейной машины, прокатного стана. Всё останавливается.
Компания MONTE INTELLIGENCE поставляла кровельные кольца для электродуговых печей на металлургические заводы в Азии, на Ближнем Востоке и в Африке. Благодаря этим проектам мы узнали, что работает, а что нет. В этой статье мы делимся этим практическим опытом.
Крыша электродуговой печи находится на стыке трех суровых условий. Снизу она подвергается прямому излучению от дуги — температура в самых горячих точках может подниматься выше 1700 °C. Сбоку на нее приходится механическая нагрузка от электродов, каждый из которых весит несколько тонн и вибрирует во время плавления. Изнутри через каналы, которые должны оставаться герметичными при термических циклах, способных вызвать растрескивание обычной стали, поступает охлаждающая вода.
Выбор материала начинается с базовой стали. В большинстве случаев для водоохлаждаемых панелей используются нержавеющие стали AISI 304 или 316. Выбор между 304 и 316 сводится к одному вопросу: какое содержание хлоридов в охлаждающей воде. Если вы используете замкнутую систему с очищенной водой, 304 вполне подойдет. Если же используется прямоточное охлаждение из реки или колодца с переменным качеством воды, то устойчивость к хлоридной коррозии стали 316 — с ее содержанием молибдена 2-3% — окупается в течение первого года. Мы наблюдали случаи, когда в солоноватой охлаждающей воде в течение шести месяцев в кровельных кольцах из стали 304 появлялись микроскопические протечки, в то время как кольца из стали 316 на том же предприятии прослужили три года.
Огнеупорная дельта — треугольный участок между тремя электродными отверстиями — является местом, где чаще всего начинаются разрушения кровельного кольца. В этой области наблюдается наиболее интенсивное лучистое тепло и самый высокий температурный градиент между водоохлаждаемой сталью и огнеупорной поверхностью. Традиционный подход использует высокоглиноземистый кирпич (85-90% Al2O3), который обеспечивает хороший срок службы в нормальных условиях эксплуатации. Однако, когда печь работает в режиме длительной дуговой сварки или когда в состав лома входит высокий процент DRI с сопутствующим пенообразным шлаком, огнеупорная дельта-зона сильно изнашивается.
В таких условиях для дельтовой зоны мы рекомендуем магнезиально-углеродистый кирпич. MgO-C кирпич сочетает в себе высокую огнеупорность магнезии (температура плавления 2800 °C) со шлакостойкостью углерода. Углерод также обеспечивает теплопроводность, которая помогает более равномерно распределять тепловую нагрузку, снижая температуру в горячих точках на 50-80 °C по сравнению с использованием только высокоглиноземистого кирпича. Компромисс заключается в стоимости — MgO-C кирпич примерно на 40% дороже высокоглиноземистого, — но увеличенный срок службы обычно обеспечивает двукратную окупаемость дополнительных инвестиций.
Конструкция системы водяного охлаждения отличает адекватные кровельные кольца от превосходных. Ключевым параметром является скорость потока воды в каналах охлаждения. При скорости ниже 1,5 метров в секунду существует риск образования пузырьков кипения в горячих точках, что приводит к образованию паровых карманов, изолирующих сталь от охлаждающей воды. После образования пара температура стали может за считанные секунды подскочить на 200 °C, что приводит к термической усталости и растрескиванию. Мы проектируем систему с минимальной скоростью потока воды 2,0 м/с во всех каналах кровельного кольца, с более высокими скоростями 2,5-3,0 м/с в зонах электродных отверстий, где тепловой поток наиболее высок.
Распределение потока имеет такое же важное значение, как и общий поток. В кольцевой конструкции крыши с неравномерным охлаждением возникают температурные градиенты по всей её структуре. Эти градиенты создают дифференциальное тепловое расширение, которое генерирует механическое напряжение в сварных швах — именно там, где напряжение нежелательно. Мы используем моделирование с помощью вычислительной гидродинамики (CFD), чтобы убедиться, что каждый водоотводящий канал получает расчетный поток до начала эксплуатации кольца.
Дельта-конфигурация — то есть расположение электродных отверстий на крыше — влияет как на электрические характеристики, так и на срок службы огнеупорных материалов. В стандартной дельта-конфигурации три электрода расположены в вершинах равностороннего треугольника. Диаметр окружности расположения электродов (PCD), то есть диаметр окружности, проходящей через центры трех электродов, является критически важным параметром проектирования. Слишком малый PCD приводит к чрезмерному нагреву боковых стенок дугами. Слишком большой PCD приводит к образованию холодных зон между электродами, что вызывает образование нерасплавленных перемычек из металлолома.
Для типичной 50-тонной электродуговой печи диаметр электродуговой дуги (ДЭД) составляет от 700 до 900 мм в зависимости от мощности трансформатора. Более высокая мощность позволяет использовать больший ДЭД, поскольку более длинные дуги обеспечивают большее распределение лучистого тепла. Кольцо крыши должно соответствовать выбранному ДЭД, обеспечивая при этом достаточную толщину огнеупорного материала между электродными отверстиями и наружной оболочкой. Обычно мы указываем минимальную толщину огнеупорного материала 150 мм между любым электродным отверстием и внутренним диаметром кольца крыши.
Уплотнения электродных портов заслуживают особого внимания. Каждый зазор вокруг электродного порта — это путь для выхода горячего газа и проникновения воздуха. Проникновение воздуха особенно проблематично, поскольку оно сжигает углерод на электродах и добавляет азот в сталь. Хорошо спроектированное уплотнительное кольцо включает в себя механические уплотнения — либо графитовые кольца, либо подпружиненные кольца из нержавеющей стали — которые поддерживают контакт с электродом при его перемещении вверх и вниз во время регулировки. Уплотнение должно обеспечивать радиальный зазор около 5 мм для перемещения электрода, сохраняя при этом газонепроницаемость с допуском утечки 2-3%.
Монтаж и выравнивание – это то, где практическое применение на практике отличается от инженерной теории. Идеально спроектированное на бумаге кровельное кольцо может выйти из строя в течение нескольких недель, если его установить даже с отклонением в 3 мм. Кольцо должно идеально ровно прилегать к корпусу печи. Любой наклон создает неравномерную нагрузку на огнеупор и неравномерное распределение потока воды. Мы всегда поставляем наши кровельные кольца с обработанной эталонной поверхностью и предоставляем установочные штифты, которые соединяются с фланцем корпуса печи. Перед затягиванием крепежных болтов бригады на месте должны проверить ровность с помощью высокоточного строительного уровня (точность 0,02 мм/м) в четырех точках по периметру кольца.
Интервалы технического обслуживания зависят от условий эксплуатации. В нормальных условиях — 20 плавок в день, типичный состав отходов — осматривайте огнеупорную дельту после каждых 200 плавок. Ищите признаки эрозии, превышающие 50% от первоначальной толщины огнеупора, трещины шире 3 мм и отслоение по краям электродных отверстий. Панели с водяным охлаждением следует подвергать испытанию под давлением, в 1,5 раза превышающим рабочее давление, каждые 500 плавок. Любую панель, у которой наблюдается падение давления более чем на 5% за 15 минут, следует демонтировать и отремонтировать.
Кровельные кольца MONTE INTELLIGENCE рассчитаны на минимальный срок службы в 2000 плавок при нормальных условиях эксплуатации. Фактический срок службы в полевых условиях составляет от 1800 до 3500 плавок в зависимости от области применения. Разница между нижним и верхним пределом обусловлена описанными выше методами эксплуатации — качеством воды, выбором огнеупорных материалов и точностью выравнивания.
Если вы планируете замену кровельного кольца электродуговой печи или новый проект печи, свяжитесь с нашей инженерной командой по адресу helenxu@cnlymonte.com. Мы можем предоставить подробное техническое предложение, основанное на вашей конкретной конфигурации печи, составе отходов и производственных целях.
